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　　虛擬PLC系統(tǒng)到底是什么樣？一直聽上去有些玄乎的想法，現(xiàn)在有了更加落地的行動(dòng)。

　　今年德國漢諾威博覽會(huì)亞馬遜的AWS合作伙伴展區(qū)中，一個(gè)名為Software Design Automation的初創(chuàng)公司，展出了一個(gè)虛擬化PLC系統(tǒng)的解決方案。虛擬化PLC的系統(tǒng)不僅可以通過CPU的數(shù)字孿生，來取代傳統(tǒng)PLC的硬件軟件強(qiáng)制捆綁，還有可在云端運(yùn)行對PLC群完成部署和管理的軟件，以及管理PLC群運(yùn)行的人機(jī)界面。

　　一個(gè)接近實(shí)用的解決方案

　　由于基于硬件的功能正在系統(tǒng)地被軟件所取代，軟件定義技術(shù)、軟件定義裝備的說法，在IT界很常見。但是這個(gè)概念，能否應(yīng)用到工業(yè)機(jī)械裝備的實(shí)時(shí)控制中呢?盡管這個(gè)想法聽上去尚不切實(shí)際，但答案卻是肯定的。前提是，必須搭建合適的框架，進(jìn)行編程、部署和監(jiān)視虛擬化自動(dòng)化資產(chǎn)的性能。

　　設(shè)在慕尼黑以SDA命名的初創(chuàng)公司正在步IT領(lǐng)域的軟件定義技術(shù)的后塵，引領(lǐng)OT領(lǐng)域開創(chuàng)一種軟件定義自動(dòng)化（Software Defined Automation, SDA）的解決方案。它將傳統(tǒng)的PLC硬件虛擬化，并在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行管理。如同管理軟件資產(chǎn)那樣。他們?yōu)樽詣?dòng)化工程師開發(fā)的PLC操作套件，通過控制器的數(shù)字孿生虛擬商用PLC。例如，它可以與博世力士樂和美國麻省開發(fā)的低代碼供應(yīng)商Tulip，形成緊密合作。或者是，它可以采用在GitHub托管的西門子或者倍福的開源PLC，實(shí)現(xiàn)了工控即服務(wù)ICaaS（Industrial-Control-as-a-Service）。

　　這條通過虛擬化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)服務(wù)化的技術(shù)路徑，使工廠自動(dòng)化從業(yè)者受益于獨(dú)立于硬件的遠(yuǎn)程連接，簡化的協(xié)同PLC工程，以及在標(biāo)準(zhǔn)的通用IT硬件（如服務(wù)器）上運(yùn)行的具有實(shí)時(shí)確定性行為的虛擬PLC。截至目前為止，按SDA公司給出的數(shù)據(jù)，這種虛擬實(shí)時(shí)控制器實(shí)現(xiàn)了確定性控制周期時(shí)間<10ms的實(shí)際效果。這可能是當(dāng)下最接近實(shí)用的虛擬PLC商業(yè)化的解決方案。這種vPLC解決方案允許在虛擬邊緣服務(wù)器上執(zhí)行確定性實(shí)時(shí)控制，并結(jié)合云基的全面vPLC管理接口。

　　與云自動(dòng)化工程解決方案一起，它使客戶能夠提高靈活性、生產(chǎn)力和安全性，同時(shí)獲得獨(dú)立于特定于供應(yīng)商的工業(yè)自動(dòng)化硬件。SDA的解決方案支持客戶從傳統(tǒng)的PLC遷移到完全虛擬化的PLC控制，這些控制運(yùn)行在靠近車間的傳統(tǒng)IT服務(wù)器上的VMware Edge邊緣計(jì)算棧上。自動(dòng)化工程師可以通過云基的控制面板持續(xù)監(jiān)控vPLC，就像使用傳統(tǒng)PLC一樣。SDA的云基應(yīng)用程序允許用戶從位于工廠的服務(wù)器調(diào)測、管理和監(jiān)視vPLC的實(shí)例。

　　SDA工業(yè)控制即服務(wù)打破了控制技術(shù)堆棧中的專有豎井，并使實(shí)時(shí)控制層之上的微服務(wù)體系結(jié)構(gòu)能夠通過API進(jìn)行原生交互，就像任何其他現(xiàn)代企業(yè)信息系統(tǒng)一樣——將工廠變成軟件系統(tǒng)。圍繞云基的現(xiàn)有PLC管理軟件（SDA TechOps），由Git賦予授權(quán)啟動(dòng)的PLC代碼版本和協(xié)同軟件（SDA DevOps），以及在邊緣服務(wù)器上對PLC予以虛擬化的軟件(SDA Virtual PLC)共同來實(shí)施虛擬化的PLC系統(tǒng)。

　　使用SDA TechOps的自動(dòng)化工程師現(xiàn)在能夠管理諸如西門子、博世力士樂和倍福等供應(yīng)商的PLC，就像云基的軟件系統(tǒng)那樣，已部署的代碼完全透明，代碼更改具有完全的可跟蹤性，并能夠在幾分鐘內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行代碼刷新。SDA DevOps為PLC引入了基于Git的版本控制，便于向現(xiàn)代開發(fā)人員的協(xié)同方式過渡。每個(gè)項(xiàng)目更新都被安全備份，對單個(gè)對象的更改都予以版本化，并通過一個(gè)簡單的web界面在結(jié)構(gòu)化文本語言和梯形圖語言的應(yīng)用程序中以明顯的加深方式加以顯示。以上這些措施有利于自動(dòng)化工程團(tuán)隊(duì)更高效地一起工作，加快開發(fā)速度，并將風(fēng)險(xiǎn)被降到最低。一旦有新功能需要部署，按下一個(gè)按鈕之后，在幾分鐘內(nèi)便部署到整個(gè)PLC系統(tǒng)。

　　SDA的虛擬PLC通過虛擬化將實(shí)時(shí)控制與專有硬件解耦。SDA公司與著名的虛擬機(jī)軟件開發(fā)商VMware合作，在任何x86服務(wù)器上運(yùn)行虛擬PLC，確保每臺(tái)虛擬PLC可實(shí)現(xiàn)<10ms的掃描周期時(shí)間。自動(dòng)化工程師可連續(xù)地通過云基控制面板監(jiān)控vPLC的運(yùn)行，就像傳統(tǒng)PLC一樣。自動(dòng)化工程師還能夠在幾分鐘內(nèi)調(diào)試投運(yùn)新的Codesys控制器，并為每個(gè)虛擬控制器按月支付費(fèi)用。

　　“這是行業(yè)的游戲規(guī)則的巨變”，SDA公司的創(chuàng)始人Josef Waltl認(rèn)為，這樣的工作方式使自動(dòng)化成為制造業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型的起點(diǎn)。無論是推動(dòng)自動(dòng)化復(fù)雜性進(jìn)一步發(fā)展的龐大工程師團(tuán)隊(duì)，還是企業(yè)內(nèi)部的自動(dòng)化專家，都可以遠(yuǎn)程管理所有的PLC，再也不用像消防員那樣，成天去監(jiān)控PLC。與博世力士樂和Tulip等設(shè)備供應(yīng)商緊密結(jié)合，作為領(lǐng)先的一線運(yùn)營，為客戶帶來端到端解決方案。譬如任何來自Tulip的 Edge IO都可以轉(zhuǎn)換為PLC，只要通過簡單的API調(diào)用與實(shí)時(shí)控制器集成一線操作平臺(tái)，而無需增加硬件成本。

　　這一舉措，將使得工業(yè)自動(dòng)化與IT軟件開發(fā)的其他行業(yè)處于同等水平。自動(dòng)化的步伐，終于可以邁得更快一點(diǎn)了。

　　PLC虛擬化的深層思考

　　虛擬化有一個(gè)簡潔的定義：外特性和行為與特定硬件一致的軟件，其實(shí)就是將特定硬件進(jìn)行虛擬化。在過去60年的IT發(fā)展中，沒有其他的進(jìn)展比虛擬化提供了更多可量化的好處，例如降低成本，增加靈活性，展現(xiàn)更多的可伸縮性，提高可靠性，性能提升等。虛擬化在IT領(lǐng)域的影響是巨大的。

　　那么，為什么虛擬化趨勢沒有迅速延伸到OT領(lǐng)域呢?事實(shí)上，OT行業(yè)大約花了10年的時(shí)間來觀察虛擬化是否可用于工業(yè)自動(dòng)化。人們逐漸發(fā)現(xiàn)OT大環(huán)境下的虛擬化應(yīng)用，正在有越來越多的趨勢，而越來越多的供應(yīng)商完全支持在虛擬化環(huán)境中運(yùn)行SCADA和DCS平臺(tái)。最近，人們還發(fā)現(xiàn)許多DCS供應(yīng)商在需要提高其現(xiàn)有系列控制器所能實(shí)現(xiàn)的性能，或需要為戰(zhàn)略客戶降低控制器成本的情況下，部署了虛擬控制器CPU。這些虛擬DCS控制器運(yùn)行在諸如Windows或Linux服務(wù)器的商用IT硬件上。通常，這些虛擬化DCS控制器產(chǎn)品不會(huì)出現(xiàn)在產(chǎn)品目錄中，甚至沒有款名或庫存編號(hào)。

　　作為工業(yè)自動(dòng)化的另一重要支柱的PLC行業(yè)，將如何應(yīng)對虛擬化的進(jìn)程呢？實(shí)際上，如果PLC要進(jìn)行完整的虛擬化，那就必須對特定供應(yīng)商的CPU、背板、機(jī)架、IO模塊和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)統(tǒng)都要進(jìn)行虛擬化。它需要在通用工業(yè)PC上，虛擬化運(yùn)行PLC CPU的功能，或者在通用IT服務(wù)器硬件上集中運(yùn)行的PLC控制器集群。而采用光纖背板，則可對確定性現(xiàn)場總線和/或?qū)崟r(shí)以太網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行切換；同樣，虛擬化IO模塊可考慮采用基于ARM的獨(dú)立I/O端子排。還要支持商品化的冗余I/O模塊/控制器等這些加在一起，形成一種虛擬PLC的軟件容器。

　　那么，這個(gè)虛擬PLC軟件容器對OT行業(yè)帶來什么好處?

　　PLC是一類非常成熟的工業(yè)控制器，1969年推出的Modicon PLC從一開始幾乎奠定了它的結(jié)構(gòu)和外形，而現(xiàn)代的PLC在這些方面沒有多少變化.這一原創(chuàng)設(shè)計(jì)，經(jīng)受了時(shí)間的考驗(yàn)。至于它的功能和屬性，即使1968年通用汽車GM提出的招標(biāo)文件，至今仍不過時(shí)。它的功能要求仍然是現(xiàn)代PLC的重要組成部分。

　　60多年的發(fā)展，使得PLC成為工業(yè)控制的常青樹。

　　如果我們試圖通過虛擬化PLC來提高PLC的性能，彌補(bǔ)其某些方面的不足，首當(dāng)其沖的是考慮瞄準(zhǔn)合理的應(yīng)用場景。大量使用小型PLC的OEM機(jī)械就沒有必要對其PLC虛擬化，這樣做的結(jié)果顯然得不償失，除非當(dāng)這些機(jī)械裝備集中在一個(gè)車間，已經(jīng)形成一個(gè)PLC集群。一臺(tái)PLC的可靠性足夠高，抗干擾能力足夠強(qiáng)，在嚴(yán)酷工業(yè)環(huán)境下可以正常地運(yùn)行十幾年，而且維修量極小。如果虛擬化的PLC在功能上可以取代，但不能達(dá)到其可靠性、電磁兼容性和環(huán)境適應(yīng)性，那就意義不大。特別是用于若干生產(chǎn)高產(chǎn)量、高價(jià)值的產(chǎn)品的場合（如卷煙機(jī)械、高速灌裝機(jī)械），一旦停機(jī)帶來很大的損失，PLC的虛擬化就得不償失了。同樣，生產(chǎn)節(jié)拍很高的場合和高速運(yùn)動(dòng)控制的場合，虛擬化的PLC也沒有用武之地，這是因?yàn)閺?012年開始到現(xiàn)在十多年了，所有探索虛擬PLC的實(shí)驗(yàn)和軟件產(chǎn)品，其確定性的實(shí)時(shí)控制周期從沒有越過10ms這道坎。

　　是不是這是虛擬PLC難以逾越的鴻溝？這是不是正是虛擬PLC運(yùn)行的本質(zhì)，還尚待求證。

　　將PLC虛擬化的價(jià)值又如何體現(xiàn)呢？在工業(yè)環(huán)境中，PLC已經(jīng)贏得了經(jīng)濟(jì)、可靠、健壯、模塊化和容易支持等美譽(yù)。那么，虛擬化能幫助PLC變得更快、更便宜、更健壯嗎? 如果企業(yè)分別統(tǒng)計(jì)他們公司的OT資產(chǎn)和IT資產(chǎn)時(shí)，常常會(huì)發(fā)現(xiàn)OT設(shè)備資產(chǎn)不但在數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過IT資產(chǎn)，而且在價(jià)值上也超過IT資產(chǎn)。譬如位居全球前三大能源公司之一的統(tǒng)計(jì)，這家有超過5萬名的員工的跨國公司，他們的OT設(shè)備資產(chǎn)數(shù)量超過了他們的全球IT資產(chǎn)的兩倍。

　　原因不點(diǎn)自明，OT資產(chǎn)的品種繁多，標(biāo)準(zhǔn)化通用化的程度差，而IT資產(chǎn)設(shè)備早已高度標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。從這個(gè)意義上講，一旦PLC能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬化，人們能夠在在同一的PLC硬件上對Siemens、Schneider和Rockwell等不同品牌的PLC系統(tǒng)進(jìn)行操作。這樣，一個(gè)PLC集群能夠以軟件的形式運(yùn)行在一臺(tái)通用的IT服務(wù)器上，或是運(yùn)行在工業(yè)PC中上，就像在VMWare或VirtualBox中運(yùn)行多個(gè)不同的Windows和Linux操作系統(tǒng)環(huán)境那樣。完全的PLC虛擬化將允許運(yùn)行施耐德電氣的Unity XL編程環(huán)境，然后遷移到羅克韋爾自動(dòng)化Studio 5000環(huán)境，或西門子的STEP 7的環(huán)境，而無需更改現(xiàn)場的任何硬件資產(chǎn)。這一前景一定足夠吸引更多的企業(yè)管理者，關(guān)鍵是必須足夠的實(shí)用、可靠。

　　虛擬化何以降低OT成本？首先，它將創(chuàng)建一個(gè)“PC兼容”的PLC版本，并為更多的供應(yīng)商打開大門。后來的商用設(shè)備，依然能夠可以運(yùn)行在原來由PLC主要供應(yīng)商提供的工程工具。其次，客戶將不再被鎖定在單一供應(yīng)商的所有硬件。多年來，現(xiàn)場總線和其他開放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在一定程度上幫助解決了供應(yīng)商鎖定的問題。然而，在最初部署之后的幾十年里，許多客戶的大部分硬件和軟件仍然受PLC / DCS供應(yīng)商的支配。綁定的痕跡，非常明顯。最后，它也將顛覆電氣分銷商模式。中間商的地位，變得岌岌可危，不必再經(jīng)過授權(quán)經(jīng)銷商購買PLC / DCS軟件和設(shè)備。因?yàn)楦ㄓ玫摹⑸唐坊挠布藢@些中間商的需求，中間商為這些產(chǎn)品服務(wù)所取得的利潤也自然一筆抹掉。

　　虛擬化顯然以靈活性、適應(yīng)性見長。完全虛擬化的PLC能在很大程度上提高OT靈活性，特別是在市場越來越多傾向于小批量多品種的形勢下。而生產(chǎn)線配置的快速性和靈活性是智能制造一種關(guān)鍵特性，虛擬化PLC完全可以滿足這一關(guān)鍵點(diǎn)。它采用通用的IT設(shè)備進(jìn)入生產(chǎn)線的控制環(huán)節(jié)，無疑是讓低成本的硬件裝備更先進(jìn)的自動(dòng)化系統(tǒng)，促進(jìn)OT環(huán)境中的創(chuàng)新，加速更換品種時(shí)所需要的對PLC集群的協(xié)同和調(diào)試時(shí)間。

　　與此同時(shí)，創(chuàng)建正在運(yùn)行的流程的虛擬版本，并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對更新的流程進(jìn)行測試，以查看更改對系統(tǒng)的影響，也是生產(chǎn)切換時(shí)所迫切需要的功能。PLC虛擬化甚至能夠在自動(dòng)化硬件產(chǎn)品供應(yīng)商之間無縫切換。例如，某個(gè)制造商采用羅克韋爾的一個(gè)產(chǎn)品運(yùn)行，在他們決定改變生產(chǎn)方向后，可能轉(zhuǎn)移到施耐德電氣的系統(tǒng)為下一個(gè)產(chǎn)品運(yùn)行作準(zhǔn)備。這時(shí)虛擬化PLC可能不必或極少更改硬件，只需進(jìn)行應(yīng)用軟件的更改和部署。在OT環(huán)境中L2以上的各層級的虛擬化，已經(jīng)使得部署補(bǔ)丁、創(chuàng)建備份和支持端點(diǎn)保護(hù)等任務(wù)變得更加容易，那么這樣的行動(dòng)，現(xiàn)在已經(jīng)瞄準(zhǔn)了L2的層級，也就是即控制層的設(shè)施虛擬化。

　　如今，大多數(shù)PLC CPU的處理能力遠(yuǎn)不及商品IT的 CPU。即使退一步采用工業(yè)PC作為PLC 的CPU，那也可以獲得可觀的成本節(jié)省。當(dāng)然，工業(yè)PC并沒有像PLC CPU的情況一樣設(shè)計(jì)成具有10到15年的壽命，但這種風(fēng)險(xiǎn)可以通過集群和額外的冗余級別來抵消。從信息安全的角度看，虛擬化的PLC所能獲得的技術(shù)支持遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的PLC。譬如虛擬容器也可以允許軟件防火墻來控制出入PLC的流量；虛擬容器環(huán)境將運(yùn)行在Linux或Windows環(huán)境上，這比傳統(tǒng)部署在PLC上的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）在網(wǎng)絡(luò)安全方面更為健壯。

　　當(dāng)然，PLC虛擬化要成為現(xiàn)實(shí)還面臨著一些挑戰(zhàn)。其中最關(guān)鍵的是如何解決PLC的確定性和IT云服務(wù)的不確定性；將PLC這類特定軟硬件捆綁的產(chǎn)品通過虛擬化形成的外特性和行為一致的軟件，如何解決OT行業(yè)中的功能安全的問題；以及IT虛擬化以性能為中心的本質(zhì)所帶來的一些基本的挑戰(zhàn)。此外，PLC的虛擬化還期待著包括PLC傳統(tǒng)廠商在內(nèi)的多個(gè)供應(yīng)商參與到這一技術(shù)變革中，將這一潛在優(yōu)勢轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實(shí)的供應(yīng)商有可能成為“OT中的VMWare”，將具有更大的市場影響力。

　　小記：面向未來的判斷

　　OT領(lǐng)域中DCS、SCADA和PLC這三大最常用的基本系統(tǒng)，已經(jīng)先后呈現(xiàn)出虛擬化的趨勢，也引起了國內(nèi)一些對技術(shù)敏感性較強(qiáng)的企業(yè)的關(guān)注。例如，華為的紫金實(shí)驗(yàn)室與寶信、上海交大的合作，嘗試在確定性IP通信的支持下，開展的虛擬PLC系統(tǒng)的試驗(yàn)；中廣核與上海交大、華為合作，針對核電站常規(guī)島的虛擬化DCS，采用虛擬化控制器的多個(gè)熱備份，來替代一對一的硬件備份。參考國際和國內(nèi)在OT領(lǐng)域虛擬化的探索，筆者有如下基本判斷：

　　虛擬化在OT領(lǐng)域的發(fā)展大有可為，潛力很大，特別是實(shí)現(xiàn)低成本的軟件熱冗余，以及實(shí)現(xiàn)PLC集群對生產(chǎn)工藝變化的靈活性和適應(yīng)性，都具有相當(dāng)巨大的吸引力。就單個(gè)PLC系統(tǒng)或DCS系統(tǒng)而言，這還不足以引起管理層的關(guān)注。但對于一個(gè)龐大的企業(yè)，虛擬化PLC/DCS的變革所帶來的成本優(yōu)勢和性能優(yōu)勢，業(yè)已獲得了一些高瞻遠(yuǎn)矚的高層管理者的興趣和支持。這正是虛擬化在OT領(lǐng)域發(fā)展的廣闊天地和潛在力量。

　　PLC虛擬化要成為現(xiàn)實(shí)還面臨著一些挑戰(zhàn)，其中最關(guān)鍵的是如何解決PLC的時(shí)間確定性和IT云服務(wù)的不確定性的問題。因?yàn)镻LC常常要面對的是高節(jié)拍、高速度的控制要求，不得不處理掃描時(shí)間在1ms數(shù)量級的應(yīng)用程序。而相對來說，DCS和SCADA的虛擬化在這方面的要求就沒有那么高。在目前的技術(shù)的支撐下，虛擬化的PLC尚只能實(shí)現(xiàn)數(shù)量級約為10ms的應(yīng)用程序，那么虛擬化PLC的應(yīng)用場景就應(yīng)該有所局限。例如創(chuàng)建適合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)用邊緣服務(wù)器和邊緣I/O的虛擬化解決方案，就可以規(guī)避虛擬化PLC帶來的時(shí)間確定性不足的問題。同時(shí)也沒有必要去嘗試采用虛擬化PLC，去解決運(yùn)動(dòng)控制的問題。

　　目前較為合適的解決方案，看起來是在云服務(wù)器上實(shí)施虛擬化PLC的部署和監(jiān)控，在邊緣服務(wù)器上實(shí)施虛擬化PLC的運(yùn)行控制。這一解決方案適合規(guī)模較大的PLC集群系統(tǒng)。

　　整體而言，傳統(tǒng)PLC的一系列突出優(yōu)勢，諸如能在嚴(yán)酷工業(yè)環(huán)境下長期可靠運(yùn)行，易用性好，模塊化程度高，易于維護(hù)等。如何在新的情況下能夠得到繼承和發(fā)揚(yáng)，是需要經(jīng)歷磨練和積累經(jīng)驗(yàn)的，這都有賴于依靠在OT領(lǐng)域內(nèi)富有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，又能解決實(shí)際問題的工程技術(shù)人員。就這個(gè)意義上講，虛擬化PLC要在工業(yè)控制中站穩(wěn)腳跟，發(fā)揚(yáng)光大，必須重視現(xiàn)有的傳統(tǒng)PLC從業(yè)人員的作用。虛擬化PLC的技術(shù)改革，絕不是僅僅依靠純粹軟件開發(fā)人員所能勝任和推進(jìn)的。